专利名称：准数字信号的差频电路及其差频方法
技术领域：
本发明属于信号处理领域，尤其是一种准数字信号的差频电路及其差频方法。
背景技术：
准数字信号输出型传感器的输出都带有一定的中心频率，在满量程内输出频率的变化量一般为中心频率的10％，如何高分辨测量此小频率增量具有非常重要的意义。所谓的准数字信号为时间连续幅值固定且占空比为50％的方波信号。传统的频率测量方法主要有(1)记数法该方法一般以秒作为闸门对待测频率进行计数，其存在的问题是±1的计数误差，对小频率增量的分辨力低，虽然可以通过延长闸门时间来满足分辨力的要求，但是降低了传感器的实时性；(2)周期法该方法以待测频率的一个或多个周期作为闸门并对一个已知频率进行计数，其存在的问题是±1的计数误差，要提高对小频率增量的分辨力，测量电路的计数速度应很高，实际应用中很难满足，虽然通过更多周期作为闸门可满足分辨力的要求，但同样降低了传感器的实时性。差频技术的应用，在一定程度上可以提高对小频率增量测量的分辨力，其典型的实现方法如下 1、中国专利(专利号200610122282.8，专利名称逻辑混频电路及逻辑混频方法)公开了一种逻辑混频电路及混频方法，其采用待测信号与基准信号进行混频并通过滤波及整形电路输出差频信号，其存在的问题是由于使用一个混频器对基准信号和待测信号进行混频，混频器的输出信号中包含有很多谐波，因此对滤波电路提出很高的要求，当两混频信号的差频不远远小于其和频时，滤波电路必须为多阶或高阶，电路复杂，热稳定性差。
2、美国专利(专利号US4777447，专利名称METHOD AND APPARATUS FORA DIGITAL DIFFERENCE FREQUENCY MIXER)公开了一种数字差频的方法及其装置，其将两准数字信号送入混频器1进行混频，将它们移相各自的四分之一周期后送入混频器2进行混频，两混频器的输出进入与门1，两混频器的输出反相后进入与门2，两与门的输出进入RS触发器，触发器的Q端作为差频输出。其存在的问题是(1)输出信号的占空比不是50％；(2)即使两准数字信号的频率固定，差频输出的周期也不唯一，会带来较大的频率测量误差。
综上所述，现有的差频电路及其实现方法仍然存在着电路复杂、热稳定性差、测量误差大等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种滤波电路简单、热稳定性好、分辨力高、测量误差小的准数字信号的差频电路及其差频方法。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的 一种准数字信号的差频电路，包括两混频器和两移相电路，两准数字信号分别与第一混频器的两输入端相连接，该两准数字信号还分别通过移相电路与第二混频器的两输入端相连接，两混频器的输出端分别连接到加法器的两输入端，该加法器的输出端与滤波器的输入端相连接，该滤波器的输出端与整形电路相连接。
而且，所述的加法器由电阻和运算放大器连接构成，两混频器的输出端分别连接电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2的另一端与电阻R3、运算放大器的反相输入端相连接，电阻R3跨接在运算放大器的反相输入端和加法器输出端，运算放大器的同相输入端通过电阻R4接地。
而且，所述的加法器由电阻和运算放大器连接构成，两混频器的输出端分别连接电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2的另一端与运算放大器的同相输入端相连接，电阻R3跨接在运算放大器的反相输入端和加法器输出端，运算放大器的反相输入端通过电阻R4接地。
而且，所述的加法器由与门、异或门、晶体管、二极管及电阻连接构成，两混频器的输出端同时连接到异或门和与门的两输入端上，该异或门的输出端通过电阻R1与晶体管T1的基极相连接，晶体管T1的集电极连接到第一电源输出端，晶体管T1的发射极通过二极管D1连接到信号输出端，晶体管T1的发射极还通过电阻R4接地；与门的输出端分别通过电阻R2、R3与晶体管T2、T3的基极相连接，晶体管T2的集电极连接到第二电源输出端，晶体管T2的发射极与晶体管T3的集电极相连接，晶体管T3的发射极通过串联的二极管D2、D3与信号输出端相连接，晶体管T3的发射极同时通过电阻R5接地；第二电源输出端的电压值为第一电源输出端的电压值的两倍。
而且，所述的混频器由异或门电路构成或者由同或非门电路构成。
而且，所述的滤波器为一阶滤波器或二阶滤波器。
一种准数字信号的差频方法，包括如下步骤 (1)将两准数字信号输入到第一混频器中进行混频处理； (2)将两准数字信号输入到移相电路中进行移相处理并将移相处理后的信号输入到第二混频器中进行混频处理； (3)将两混频器的输出输入到加法器中进行模拟相加处理； (4)对加法器输出的信号进行滤波处理； (5)对滤波器处理后的信号进行整形处理并输出占空比接近50％的方波信号。
而且，所述的混频处理采用异或混频处理方法或同或非混频处理方法。
而且，所述的移相处理采用对两准数字信号进行各自四分之一周期的移相处理。
而且，所述的滤波处理采用一阶滤波或二阶滤波方法。
本发明的优点和积极效果是 1、本差频电路将两混频器的输出端分别连接到加法器的两输入端，通过加法器对信号进行处理，大大降低了谐波合成项对差频信号的影响，随后采用简单的滤波电路及整形电路便可输出占空比接近50％的方波信号，当两准数字信号的频率固定时，本差频电路能够输出唯一的周期，为准数字信号输出型传感器的高分辨力、高精度测量提供了基础。
2、本差频电路在两混频器后使用加法器对信号进行处理，大大降低了谐波合成项对差频信号的影响，因此使用简单的一阶滤波器或二阶滤波器便可满足滤波要求，解决了生产中滤波电路阻容匹配难题，提高了系统的热稳定性，而且差频电路结构简单，成本低廉。
3、本差频方法使用两个混频器分别对输入的两方波信号及该两方波信号移相各自四分之一周期的信号进行乘法运算，然后对两混频器的输出进行模拟相加运算，经过一阶滤波器或二阶滤波器滤波后，得到单边近似三角波或近似正弦波，通过整形电路将近似三角波或近似正弦波变为单边矩形波，使得输出占空比为接近50％的方波信号，该差频方法实现简单，稳定可靠。
4、本发明设计合理，其在两混频器后采用加法器消除了混频器输出中的与差频频率接近的部分谐波合成项，为准数字信号输出型传感器的高分辨力、高精度测量提供了基础，同时解决了生产中滤波电路阻容匹配的难题，提高了差频电路的热稳定性，降低了成本。
图1是发明的差频电路方框图； 图2是两种包括运算放大器的加法器电路图； 图3是一种包括异或门、与门、晶体管的加法器电路图； 图4是第一混频器输出的部分频谱及分量示意图； 图5是第二混频器输出的部分频谱及分量示意图； 图6是加法器输出的部分频谱及分量示意图； 图7是美国专利(US4777447)的电路方框图。
具体实施例方式 以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种准数字信号的差频电路，如图1所示，由两混频器、两移相电路、加法器、滤波器和整形电路连接构成。两准数字信号fS、fR分别与第一混频器的两输入端相连接，由第一混频器对两准数字信号进行混频处理；同时两准数字信号fS、fR还分别与各自的移相电路相连接，由两移相电路分别对两准数字信号进行各自四分之一周期的移相处理，两移相电路的输出端分别连接到第二混频器的两输入端，由第二混频器对移相后的信号进行混频处理。两混频器的输出端分别连接到加法器的两输入端，由加法器实现电平的模拟相加处理。加法器的输出端与滤波器的输入端相连接，由滤波器对信号进行滤波处理。滤波器的输出端与整形电路相连接，由整形电路对信号进行整形处理，整形电路的输出端输出占空比接近50％的方波信号，其频率f＝|fS-fR|。
本差频电路的创新之处在于两混频器的输出端分别连接到加法器的两个输入端，由加法器对两混频器输出的信号进行模拟相加处理，消除了部分谐波合成项从而简化了滤波电路，为准数字信号输出型传感器的高分辨力、高精度测量提供了基础，同时解决了生产中滤波电路阻容匹配难题。与混频器输出端相连接的加法器具有如下特性 为实现上述加法器的特性，可以采用如图2(a)、(b)所示的加法器。图2(a)所示的加法器由电阻和运算放大器连接构成，两混频器的输出端分别连接电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2的另一端与电阻R3、运算放大器的反相输入端相连接，电阻R3跨接在运算放大器的反相输入端和加法器输出端，运算放大器的同相输入端通过电阻R4接地；图2(b)所示的加法器由电阻和运算放大器连接构成，两混频器的输出端分别连接电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2的另一端与运算放大器的同相输入端相连接，电阻R3跨接在运算放大器的反相输入端和加法器输出端，运算放大器的反相输入端通过电阻R4接地。运算放大器的输出端输出两信号模拟相加的结果。
加法器还可以采用另外一种结构，如图3所示，该加法器由与门、异或门、晶体管、二极管及电阻连接构成，两混频器的输出端同时连接到异或门和与门的两输入端上，该异或门的输出端通过电阻R1与晶体管T1的基极相连接，晶体管T1的集电极连接到第一电源输出端，晶体管T1的发射极通过二极管D1连接到信号输出端，晶体管T1的发射极还通过电阻R4接地；与门的输出端分别通过电阻R2、R3与晶体管T2、T3的基极相连接，晶体管T2的集电极连接到第二电源输出端，晶体管T2的发射极与晶体管T3的集电极相连接，晶体管T3的发射极通过串联的二极管D2、D3与信号输出端相连接，晶体管T3的发射极同时通过电阻R5接地；第二电源输出端的电压值为第一电源输出端的电压值的两倍。
两个混频器可以采用异或门电路，也可以采用同或非门电路。
两个移相电路由触发器、微分电路、晶体管、可变电流源构成，也可仅由触发器构成。
滤波器为一阶或二阶滤波器，该滤波器既可以为有源滤波器，也可以为无源滤波器。
整形电路可以采用数字电路，也可以采用运算放大器实现。
一种准数字信号的差频方法，是采用上述准数字信号的差频电路实现对准数字信号输出型传感器输出的准数字信号进行差频处理功能，该方法包括如下步骤 1、将两准数字信号输入到第一混频器中进行混频处理； 2、将两准数字信号输入到移相电路中进行移相处理并将移相处理后的信号输入到第二混频器中进行混频处理； 3、将两混频器的输出输入到加法器中进行模拟相加处理； 4、对加法器输出的信号进行滤波处理； 5、对滤波器处理后的信号进行整形处理并输出占空比接近50％的方波信号。
现以异或门混频器为例具体说明准数字信号的差频方法 1、对两准数字信号进行异或门混频处理 设幅值为1，脉宽分别为τ1、τ2，角频率分别为ω1、ω2的周期矩形脉冲信号x(t)、y(t)的傅立叶变换为 其中，x(t)、y(t)中所含交流分量的频谱为 设则 F[x(t)]＝2πC1δ(ω)+X(ω)；F[y(t)]＝2πC2δ(ω)+Y(ω) 将x(t)、y(t)加到异或门混频器，则输出的傅立叶变换为 当输入的准数字信号的占空比为50％的方波时， 可见，当两占空比为50％的方波加到异或门进行混频时，输入信号的频率在输出没有分量。但是，还存在影响差频质量的信号，如下所示 由上式及图4的部分频谱可以看出，存在与ω1-ω2等幅的ω1+ω2影响差频质量。
2、对两准数字信号进行移相和混频处理 对两准数字信号进行各自四分之一周期移相处理并进行异或混频处理，混频后信号的傅立叶变换为 该步骤处理后信号的部分频谱如图5所示。
3、对两混频器输出的信号进行模拟相加以改善差频质量 对两混频器输出的信号进行模拟相加的傅立叶变换为 该步骤处理后的部分频谱如图6所示。
差频时，一般选取ω1接近ω2，即ω1+3ω2□ω1-ω2、3ω1+ω2□ω1-ω2 4、对加法器输出的信号进行滤波处理，使用很简单的滤波电路就能得到角频率为ω1-ω2的单边近似三角波或近似正弦波。
5、对滤波器处理后的信号进行整形处理，将近似三角波或近似正弦波变成为单边矩形波。
通过上述步骤可使输出信号为占空比接近50％的方波信号，为准数字信号输出型传感器的高分辨力、高精度测量提供了基础。
本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此发明并不限于具体实施方式
中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种准数字信号的差频电路，包括两混频器和两移相电路，两准数字信号分别与第一混频器的两输入端相连接，该两准数字信号还分别通过移相电路与第二混频器的两输入端相连接，其特征在于两混频器的输出端分别连接到加法器的两输入端，该加法器的输出端与滤波器的输入端相连接，该滤波器的输出端与整形电路相连接。
2.根据权利要求1所述的准数字信号的差频电路，其特征在于所述的加法器由电阻和运算放大器连接构成，两混频器的输出端分别连接电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2的另一端与电阻R3、运算放大器的反相输入端相连接，电阻R3跨接在运算放大器的反相输入端和加法器输出端，运算放大器的同相输入端通过电阻R4接地。
3.根据权利要求1所述的准数字信号的差频电路，其特征在于所述的加法器由电阻和运算放大器连接构成，两混频器的输出端分别连接电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2的另一端与运算放大器的同相输入端相连接，电阻R3跨接在运算放大器的反相输入端和加法器输出端，运算放大器的反相输入端通过电阻R4接地。
4.根据权利要求1所述的准数字信号的差频电路，其特征在于所述的加法器由与门、异或门、晶体管、二极管及电阻连接构成，两混频器的输出端同时连接到异或门和与门的两输入端上，该异或门的输出端通过电阻R1与晶体管T1的基极相连接，晶体管T1的集电极连接到第一电源输出端，晶体管T1的发射极通过二极管D1连接到信号输出端，晶体管T1的发射极还通过电阻R4接地；与门的输出端分别通过电阻R2、R3与晶体管T2、T3的基极相连接，晶体管T2的集电极连接到第二电源输出端，晶体管T2的发射极与晶体管T3的集电极相连接，晶体管T3的发射极通过串联的二极管D2、D3与信号输出端相连接，晶体管T3的发射极同时通过电阻R5接地；第二电源输出端的电压值为第一电源输出端的电压值的两倍。
5.根据权利要求1所述的准数字信号的差频电路，其特征在于所述的混频器由异或门电路构成或者由同或非门电路构成。
6.根据权利要求1所述的准数字信号的差频电路，其特征在于所述的滤波器为一阶滤波器或二阶滤波器。
7.一种准数字信号的差频方法，其特征在于包括如下步骤
(1)将两准数字信号输入到第一混频器中进行混频处理；
(2)将两准数字信号输入到移相电路中进行移相处理并将移相处理后的信号输入到第二混频器中进行混频处理；
(3)将两混频器的输出输入到加法器中进行模拟相加处理；
(4)对加法器输出的信号进行滤波处理；
(5)对滤波器处理后的信号进行整形处理并输出占空比接近50％的方波信号。
8.根据权利要求7所述的准数字信号的差频方法，其特征在于所述的混频处理采用异或混频处理方法或同或非混频处理方法。
9.根据权利要求7所述的准数字信号的差频方法，其特征在于所述的移相处理采用对两准数字信号进行各自四分之一周期的移相处理。
10.根据权利要求7所述的准数字信号的差频方法，其特征在于所述的滤波处理采用一阶滤波或二阶滤波方法。
全文摘要
本发明涉及一种准数字信号的差频电路及其差频方法。两准数字信号分别与该差频电路的第一混频器的两输入端相连接，两准数字信号还分别通过该差频电路的移相电路与其第二混频器的两输入端相连接，其技术特点是两混频器的输出端分别连接到加法器的两输入端，该加法器的输出端依次与滤波器及整形电路相连接；该差频方法是通过两混频器对两准数字信号进行混频处理，由加法器对混频后的信号进行模拟相加处理，对加法器的输出通过滤波及整形处理后，输出占空比接近50％、周期均匀的方波信号。本发明在两混频器后采用加法器消除了混频器输出中的与差频频率接近的部分谐波合成项，为准数字信号输出型传感器的高分辨力、高精度测量提供了基础。
文档编号H03K5/26GK101800514SQ20101010304
公开日2010年8月11日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者张伟玉, 董晋峰, 赵金才 申请人:天津农学院